راکتور پیگمنت چیست: سنتز، پراکندگی و طراحی فرآیند

پاسخ به سوال اصلی: راکتور پیگمنت چیست؟ راکتور پیگمنت یک مخزن همزن است که در آن پیگمنت آلی یا معدنی یا سنتز شیمیایی می‌شود یا به صورت فیزیکی در یک حامل پراکنده می‌شود و بیشتر کارخانه‌ها هر دو وظیفه را انجام می‌دهند. سنتز شامل جفت‌شدن آزو است، که در آن یک نمک دیازونیوم در دمای 0-5 درجه سانتیگراد و pH کنترل شده 4-7 با یک جزء جفت‌کننده واکنش داده تا کروموفور ساخته شود، و تشکیل فتالوسیانین، که به جای آن به دمای 180-220 درجه سانتیگراد در یک حلال با نقطه جوش بالا نیاز دارد. پراکندگی یک عملیات فیزیکی است که در آن توده‌ها با استفاده از یک پراکنده‌کننده با برش بالا که با سرعت نوک 15-30 متر بر ثانیه کار می‌کند، به اندازه ذرات هدف 0.1-1 میکرومتر شکسته می‌شوند. بنابراین راکتور باید طیف وسیعی را پوشش دهد: جفت‌شدن کرایوژنیک در یک انتها، سنتز داغ در انتهای دیگر، و پراکندگی با انرژی بالا در بین، به همین دلیل کارخانه‌های پیگمنت معمولاً چندین مخزن اختصاصی را به جای یک دستگاه جهانی مشخص می‌کنند.

1. دو کلاس وظیفه که یک راکتور پیگمنت باید انجام دهد

سنتز و پراکندگی نیازمندی‌های تقریباً متضادی را تحمیل می‌کنند و مخلوط کردن آنها در یک مخزن رایج‌ترین منبع مشکلات کیفی است:

• جفت‌شدن آزو و سنتز دمای پایین: پیگمنت‌های آزو که حدود نیمی از کل پیگمنت‌های آلی را تشکیل می‌دهند، با دیازو کردن یک آمین آروماتیک اولیه با نیتریت سدیم و اسید هیدروکلریک در دمای 0-5 درجه سانتیگراد ساخته می‌شوند، سپس نمک دیازونیوم حاصل با یک نفتول، استو استانیلید یا جزء پیرازولون جفت می‌شود. هر دو مرحله به شدت محدود هستند. نمک‌های دیازونیوم در دمای بالاتر از حدود 5-10 درجه سانتیگراد تجزیه می‌شوند و نیتروژن آزاد کرده و محصولات جانبی قیرمانند تشکیل می‌دهند، بنابراین مخزن به یک ژاکت آب نمک یا گلیکول سرد شده با ظرفیت کافی برای جذب گرمای آزاد شده دیازو کردن نیاز دارد. سرعت جفت‌شدن توسط pH تعیین می‌شود که باید در یک باند باریک، معمولاً 4-7، با افزودن همزمان اسید یا قلیا حفظ شود، زیرا pH نادرست به سادگی موقعیت جفت‌شدن نادرست را روی حلقه و در نتیجه سایه نادرست تولید می‌کند. شکل کریستال و اندازه ذرات که قدرت رنگ و شفافیت را تعیین می‌کنند، در اینجا تنظیم می‌شوند و نمی‌توانند به راحتی بعداً اصلاح شوند.
• فتالوسیانین و سنتز دمای بالا: آبی و سبز فتالوسیانین مس با واکنش انیدرید فتالیک یا فتالونیتریل با نمک مس و اوره یا منبع نیتروژن در دمای 180-220 درجه سانتیگراد در یک حلال با نقطه جوش بالا مانند آلکیل بنزن یا تری کلرو بنزن، با کاتالیزور مولیبدن یا مولیبدات آمونیوم ساخته می‌شوند. راکتور یک مخزن تحت فشار گرم شده با کندانسور رفلاکس و سیستم بازیابی حلال است و باید با مخلوط ناهمگنی که با پیشرفت واکنش بسیار غلیظ می‌شود، سروکار داشته باشد و به یک همزن لنگر یا روبان مارپیچی سنگین نیاز دارد. پس از سنتز، پیگمنت خام برای توسعه فرم پیگمنت‌دار، اسیدپاشی یا آسیاب نمکی می‌شود، زیرا محصول سنتز شده به صورت کریستال درشت و غیر پیگمنت‌دار است. این مسیر سرمایه‌بر و انرژی‌بر است و سیستم‌های بازیابی حلال و تصفیه بخارات به جای خود راکتور، بر کارخانه غالب هستند.
• پراکنش با برش بالا و جداسازی توده‌ها: پیگمنت تولید شده به صورت توده‌های 10-100 میکرومتری وارد می‌شود و قدرت رنگ، براقیت و شفافیت قابل دستیابی به شکستن آنها به ذرات اولیه 0.05-1 میکرومتری بستگی دارد. پراکندگی در سه مرحله انجام می‌شود. پیش‌مخلوط کردن سطح پیگمنت را با محلول رزین یا سورفکتانت مرطوب می‌کند و هوای محبوس شده و آب را جایگزین می‌کند. جداسازی توده‌ها برش شدیدی را اعمال می‌کند، معمولاً با یک پراکنده‌کننده روتور-استاتور که سرعت نوک آن به 15-30 متر بر ثانیه می‌رسد، یا با یک آسیاب مهره‌ای برای ریزترین گریدها. سپس رقیق‌سازی، کنسانتره را تحت هم زدن ملایم به فرمولاسیون نهایی رقیق می‌کند، زیرا برش بیشتر در آن مرحله می‌تواند پراکندگی از قبل توسعه یافته را آسیب برساند یا آن را دوباره توده کند. دما باید در طول فرآیند کنترل شود، زیرا ورودی انرژی زیاد است و بسیاری از پیگمنت‌های آلی به حرارت حساس هستند.
• تکمیل: فیلتراسیون، شستشو و خشک کردن: آنچه پس از راکتور می‌آید، به اندازه خود راکتور، پیگمنت نهایی را تعیین می‌کند. دوغاب پیگمنت روی فیلتر پرس، فیلتر ناتشه یا فیلتر خلاء دوار فیلتر شده و برای حذف نمک‌ها شسته می‌شود، که حیاتی است زیرا الکترولیت باقی‌مانده باعث لخته شدن در پوشش نهایی شده و براقیت را کاهش می‌دهد. کیک پرس، معمولاً 25-45 درصد جامد، سپس در یک خشک‌کن سینی، پارو یا اسپری خشک می‌شود و شرایط خشک کردن، سختی نهایی ذرات را تعیین می‌کند: خشک کردن بیش از حد باعث ایجاد توده‌های سخت می‌شود که هیچ مقدار پراکندگی نمی‌تواند آنها را بشکند. برخی پیگمنت‌ها تحت عملیات سطحی قرار می‌گیرند و ذرات را با سیلیس، آلومینا یا یک اصلاح‌کننده آلی پوشش می‌دهند تا پراکندگی، مقاومت در برابر آب و هوا یا رئولوژی را بهبود بخشد. در طول فرآیند، خروجی راکتور باید از نظر جامدات و اندازه ذرات سازگار باشد، در غیر این صورت تجهیزات پایین‌دستی نمی‌توانند بهینه شوند.

2. طراحی راکتور پیگمنت برای ثبات رنگ

سه تصمیم طراحی تعیین می‌کند که آیا یک کارخانه می‌تواند یک سایه را بزند و آن را بچ به بچ حفظ کند:

• انتخاب همزن بر اساس وظیفه: هیچ همزنی به تنهایی برای تمام وظایف پیگمنت مناسب نیست. دیازو کردن و جفت‌شدن به یک پروانه با برش کم و جریان بالا، معمولاً یک توربین پره شیب‌دار یا هیدروفویل نیاز دارد، زیرا هدف مخلوط کردن سریع توده اسید، نیتریت و جزء جفت‌کننده و حذف سریع گرمای آزاد شده در دیواره ژاکت است، نه برش. سنتز فتالوسیانین با دمای بالا به یک لنگر یا روبان مارپیچی با خراشنده‌های دیواره نیاز دارد، زیرا جرم غلیظ می‌شود و لایه دیواره انتقال حرارت را غالب می‌کند. پراکندگی نیاز به عکس آن دارد: یک روتور-استاتور با برش بالا، یک دیسک حل‌کننده، یا ترکیبی هم‌محور از یک پراکنده‌کننده با سرعت بالا با یک لنگر کند که کل بچ را در حرکت نگه می‌دارد. مشخص کردن توان خروجی بر اساس سرعت نوک به جای دور در دقیقه ضروری است، زیرا همان سرعت شفت در یک مخزن بزرگ سرعت نوک بسیار پایین‌تر و پراکندگی بسیار ضعیف‌تری را ایجاد می‌کند.
• دقت کنترل دما و pH: رنگ توسط شکل کریستال و اندازه ذرات تعیین می‌شود و هر دو تابعی از دما و pH در طول واکنش هستند. دیازو کردن در دمای 0-5 درجه سانتیگراد و جفت‌شدن در چند درجه از حد هدف حفظ می‌شود، زیرا افزایش حتی 3-5 درجه سانتیگراد عادت کریستال و در نتیجه سایه و شفافیت را تغییر می‌دهد. این امر مستلزم یک مخزن ژاکت‌دار با آب نمک سرد شده یا گلیکول، مساحت با اندازه سخاوتمندانه، و یک سیستم کنترل است که با افزایش تدریجی خوراک معرف به جای واکنش به افزایش دما پس از وقوع آن، گرمای آزاد شده را پیش‌بینی می‌کند. pH باید در طول جفت‌شدن در حدود مثبت یا منفی 0.2 واحد حفظ شود، که نیاز به یک پروب با پاسخ سریع و خوب قرار گرفته، یک پمپ اندازه‌گیری با نسبت کاهش گسترده، و یک نقطه افزودن واقع در منطقه تلاطم بالا نزدیک همزن به جای سطح مایع دارد، جایی که مخلوط شدن آن چندین ثانیه طول می‌کشد.
• مواد، تمیز کردن و آلودگی متقابل: کارخانه‌های پیگمنت بسیاری از رنگ‌ها را در همان تجهیزات تولید می‌کنند و خطر کیفی غالب، انتقال از بچ قبلی است. فولاد ضد زنگ، معمولاً 316L با پرداخت پولیش شده یا الکتروپولیش شده، استاندارد است زیرا تمیز می‌شود و آهن را اضافه نمی‌کند، که سایه بسیاری از پیگمنت‌های آلی را تغییر می‌دهد. فولاد روکش‌دار شیشه‌ای در مواردی که شیمی اسیدی یا کلرینه شده است، مانند کارهای دیازونیوم، استفاده می‌شود، اگرچه انتقال حرارت ضعیف‌تری دارد. طراحی برای تمیز کردن به معنای عدم وجود نقاط مرده، عدم وجود شکاف در شفت همزن یا بافل‌ها، تخلیه کامل، و یا یک سیستم تمیز کردن در محل با توپ‌های اسپری یا، برای کارخانه‌های کوچکتر، طراحی که امکان تمیز کردن دستی سریع را فراهم می‌کند. بسیاری از تولیدکنندگان مخازن را بر اساس خانواده رنگ اختصاص می‌دهند و زردها، قرمزها و آبی‌ها را جدا نگه می‌دارند، زیرا حتی یک تمیز کردن کامل نیز نمی‌تواند هر اثری را از شیار واشر حذف کند.

ماتریس مقایسه وظایف راکتور پیگمنت

سوالات متداول (FAQ)

س: تفاوت بین سنتز پیگمنت و پراکندگی پیگمنت چیست؟

پاسخ: سنتز مولکول پیگمنت و ساختار کریستالی آن را از طریق واکنش شیمیایی ایجاد می‌کند، در حالی که پراکندگی توده‌های فیزیکی پیگمنت موجود را می‌شکند. در سنتز، یک پیگمنت آزو با دیازو کردن و جفت‌شدن در دمای 0-5 درجه سانتیگراد ساخته می‌شود و شرایط، شکل کریستال، اندازه ذرات و در نتیجه سایه، شفافیت و مقاومت را تعیین می‌کنند؛ اشتباه در اینجا را نمی‌توان در پایین‌دست اصلاح کرد. در پراکندگی، هیچ شیمی رخ نمی‌دهد: انرژی برای جدا کردن ذراتی که به هم چسبیده‌اند اعمال می‌شود، تا پیگمنت قدرت رنگ و براقیت کامل خود را توسعه دهد. به همین دلیل است که یک پودر پیگمنت یکسان می‌تواند نتایج بسیار متفاوتی در فرمولاسیون‌های مختلف داشته باشد و چرا یک کارخانه به جای تلاش برای انجام هر دو در یک دستگاه، هم به یک راکتور با کنترل خوب و هم به یک مرحله پراکندگی جداگانه با برش بالا نیاز دارد.

س: چرا جفت‌شدن آزو باید زیر 5 درجه سانتیگراد انجام شود؟

پاسخ: زیرا واسطه دیازونیوم از نظر حرارتی ناپایدار است. نمک‌های دیازونیوم در دمای بالاتر از حدود 5-10 درجه سانتیگراد به سرعت تجزیه می‌شوند و نیتروژن آزاد کرده و فنولیک تارها و سایر محصولات جانبی رنگی تشکیل می‌دهند؛ آن تجزیه، معرف مورد نیاز برای جفت‌شدن را مصرف می‌کند، بنابراین بازده کاهش می‌یابد و محصولات جانبی پیگمنت را آلوده کرده و سایه را کدر می‌کنند. دمای پایین همچنین بر نتیجه‌ای که از نظر تجاری بیشترین اهمیت را دارد تأثیر می‌گذارد: شکل کریستال و توزیع اندازه ذرات تولید شده در طول جفت‌شدن، قدرت رنگ، شفافیت و رئولوژی پیگمنت نهایی را تعیین می‌کنند و هر دو به نرخ تشکیل و رشد هسته‌ها حساس هستند که به نوبه خود به دما وابسته است. به همین دلیل راکتور به ظرفیت آب نمک سرد شده یا گلیکول اختصاصی نیاز دارد که برای گرمای آزاد شده دیازو کردن، نه فقط برای خنک‌سازی محیط، اندازه‌گیری شود.

س: چگونه اندازه‌گیری می‌کنید که آیا پراکندگی پیگمنت کامل است؟

پاسخ: سه روش با هم استفاده می‌شوند. سنجش ریزدانه بودن هگمن، یا گرایندومتر، با کشیدن پراکندگی در یک شیار مخروطی و مشاهده اینکه ذرات از کجا ظاهر می‌شوند، یک خوانش سریع در کف کارگاه ارائه می‌دهد؛ گرید پوشش معمولاً به 5 تا 7 در مقیاس هگمن نیاز دارد که مربوط به حداکثر اندازه ذرات زیر حدود 15-25 میکرومتر است. پراش لیزر یک توزیع کامل اندازه ذرات را ارائه می‌دهد و در مواردی که هدف یک d50 یا d90 خاص است، معمولاً 0.1-1 میکرومتر برای پیگمنت‌های با کارایی بالا استفاده می‌شود. و اندازه‌گیری رنگ، مقایسه قدرت رنگ و سایه در برابر یک استاندارد با اسپکتروفتومتر، آزمون نهایی است، زیرا ممکن است خوانش اندازه ذرات قابل قبولی داشته باشید و همچنان رنگ کامل را توسعه نداده باشید. بهترین روش این است که ابتدا دراودا را اجرا کنید، سپس با اندازه ذرات تأیید کنید، و سپس بر اساس رنگ آزاد کنید.

س: چه چیزی باعث تغییر سایه بچ به بچ در راکتور پیگمنت می‌شود؟

پاسخ: پنج علت بیشتر این موضوع را شامل می‌شود. انحراف دما در طول جفت‌شدن، زیرا حتی چند درجه عادت کریستال و سایه را تغییر می‌دهد؛ این رایج‌ترین است. انحراف pH، زیرا موقعیت جفت‌شدن روی حلقه آروماتیک به pH بستگی دارد و تغییر نیم واحد می‌تواند ایزومر متفاوتی با رنگ متفاوت تولید کند. تغییر مواد اولیه، به ویژه در خلوص و محتوای ایزومر جزء جفت‌کننده، به همین دلیل مواد ورودی بر اساس نقطه ذوب و عیار تعیین می‌شوند نه صرفاً بر اساس گواهی. سرعت افزودن و انرژی اختلاط، که فوق‌اشباع موضعی و در نتیجه هسته‌زایی و اندازه ذرات را کنترل می‌کنند. و انتقال یا آلودگی از بچ قبلی، به همین دلیل خانواده‌های رنگ اغلب بر اساس مخزن جدا می‌شوند و چرا تأیید تمیز کردن به اندازه خود واکنش اهمیت دارد.